新工科背景下“自動控制原理”課程教學改革與實踐

王艷嬌

（廣東工業(yè)大學自動化學院 廣東 廣州 510006）

隨著數(shù)據(jù)采集和存儲技術的飛速發(fā)展，工業(yè)生產過程積累了大量包含過程信息和知識的數(shù)據(jù)，工業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的發(fā)展在不斷提升工業(yè)大數(shù)據(jù)的利用價值，也對數(shù)據(jù)分析工程師等相關從業(yè)者的綜合能力提出了新的要求。因此如何在新工科背景下培養(yǎng)具有計算機、通信和自動控制等技術的高素質應用型創(chuàng)新人才，是值得深入思考和探討的問題。針對數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術專業(yè)（以下簡稱“大數(shù)據(jù)專業(yè)”）“自動控制原理”課程的教學現(xiàn)狀，文章以專業(yè)培養(yǎng)目標為導向，針對課程教學中存在的問題，依據(jù)專業(yè)背景進行課程改革，注重知識的外延和工程思維能力的培養(yǎng)，以更好地適應“新工科”背景下關于應用型人才的培育需求[1]。

1 課程教學現(xiàn)狀

先進集散控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡通信技術的快速發(fā)展使得實時獲取工業(yè)生產過程數(shù)據(jù)的規(guī)模越來越大，工業(yè)數(shù)據(jù)的變量維度也在逐漸增長，工業(yè)數(shù)據(jù)庫已經進入了大數(shù)據(jù)時代，這為高等院校培養(yǎng)數(shù)據(jù)科學相關的人才帶來了前所未有的機遇，同時也帶來了巨大的挑戰(zhàn)[2]。近年來，關于大數(shù)據(jù)專業(yè)專業(yè)課程和實踐課程的建設已經進行了很多工作，也取得了諸多教學成果，而對于專業(yè)選修課的教學改革工作卻關注得很少。目前，從企業(yè)對人才專業(yè)能力的需求分析來看，學生不僅需要具備扎實的專業(yè)知識和編程實戰(zhàn)能力，同時還需要具備將數(shù)據(jù)思維應用到工程領域的能力，能夠對實際問題進行深度的挖掘和全面的分析，因此專業(yè)選修課程的重要性不容忽視。

目前，大數(shù)據(jù)專業(yè)“自動控制原理”（以下簡稱“自控”）課程教學存在以下問題：①自控課程需要物理、化學和電力等相關基礎知識，而大數(shù)據(jù)專業(yè)是一個綜合性學科，該專業(yè)的課程體系不同于自動化、電氣等控制類專業(yè)，無法覆蓋所需基礎理論知識，導致學生缺少相應的知識儲備；②教學內容建立在比較抽象的數(shù)學模型之上，不能反映行業(yè)的最新動態(tài)，學生對工程實際接觸不多，創(chuàng)新思維和工程能力培養(yǎng)不足；③大部分學生以考試為目的，學習方式局限于課堂聽講、課后作業(yè)和期末刷題，缺乏學習興趣；④當前，行業(yè)對學生的能力提出了新的需求，課程的考核方式和評價方法需要改進和完善。

2 課程改革內容

2.1 基于學科差異，制訂課程標準

課程的設計基于學科知識，在學科知識基礎上，選取一些“最有價值的知識”，構成了一門課程，并形成教學內容。然而，現(xiàn)實情況是，本校大數(shù)據(jù)專業(yè)的自控課程僅為32 學時，這就需要考慮如何在有限的學時中選取適當?shù)闹R來構造課程，同時也要考慮到該專業(yè)學生的發(fā)展需求。此外，不同的專業(yè)對同一門課程所需要的知識、能力和素養(yǎng)的水平也存在差異，因此，要在課程內容的深度和廣度、內涵和外延之間進行協(xié)調，這也是一個要著重考慮的問題。對于像大數(shù)據(jù)這類非控制類學科專業(yè)來說，在課程實施過程中，主要側重于擴展自控知識的應用領域，結合專業(yè)背景，強調如何將自控原理應用于大數(shù)據(jù)技術領域，注重培養(yǎng)學生的工程思維能力。

2.2 基于專業(yè)差異，調整教學內容

傳統(tǒng)的以“建?！治觥O計”為主線的授課方式注重對課程系統(tǒng)性和完整性的學習[3]，對大數(shù)據(jù)專業(yè)的學生來說，他們所學的前序課程無法覆蓋自控課程所需的基礎知識，如學生沒有學過電機學相關課程而對電動機的工作原理不了解，導致在采用電動機為例子講解數(shù)學建模時，學生因為缺少相應的理論基礎，無法理解和體會控制系統(tǒng)的建模過程，更遑實際應用。因此，教師需要針對教學對象的專業(yè)背景，整合優(yōu)勢資源，并與課程理論知識點進行深度融合，制訂具有專業(yè)特色的教學案例。

2.3 改革教學方法和教學手段

自控課程具有理論性強、內容抽象的特點，對學生的抽象思維能力要求高，而傳統(tǒng)的教學方法通常是根據(jù)課本內容，采用多媒體課件或板書進行遞進式的教學。但由于受學科局限，教師很難在課堂上與學生進行有效的交流，因而忽略了學生自主性、工程性等方面的訓練，使教學效果大打折扣。因此，需要打破傳統(tǒng)單一的教學格局，采用問題驅動、利用慕課資源，開展線上線下混合式教學模式。

2.4 改進和完善考核方式和評價方法

“以學生為中心，以產出為導向，持續(xù)改進”是工程教育認證的核心理念[4]。為了檢驗課程教學目標是否達成和衡量學生的學習成果，自控教學組制訂了一套完善的考核和教學評價方法。為了更好地達成課程教學目標，階段性的評價和補救性教學尤為重要。因此，教學組擬綜合利用慕課資源等手段，在有限的教學課時中進行階段性測驗、課堂小測驗等，考核的結果用于階段性的持續(xù)改進，即當考核情況不理想時，應及時進行補救性教學，以確保期末考核時教學目標的達成。

3 課程改革的具體舉措

3.1 關注學科差異，制訂不同的課程標準

根據(jù)“新工科”人才培養(yǎng)要求，梳理細化分解課程目標，修訂教學大綱。自動控制原理教學內容多，覆蓋面廣。要在32 課時的理論教學時間內，兼顧知識、素質、能力的培養(yǎng)，必須要有適用于非控制類專業(yè)的教學大綱引領。修訂教學大綱時，首先針對大數(shù)據(jù)專業(yè)的特點，梳理并細化課程教學目標。課程目標作為整個教學大綱的核心，支撐著要達成的畢業(yè)要求，涉及授課內容、考核方式和學習活動的設計與開展。教學目標不僅要體現(xiàn)知識目標還要體現(xiàn)能力目標和素質培養(yǎng)。圍繞課程目標要設計合適的教學內容和學習活動支撐。教學內容除了課本知識外，還要適當增加行業(yè)內的最新動態(tài)，如自控原理在人工智能、智能制造、新能源等新興行業(yè)中的應用。學習活動要體現(xiàn)對復雜工程能力的培養(yǎng)，活動的結果要便于評價和考核，考核方式要有明確的評分標準。針對本校大數(shù)據(jù)專業(yè)的專業(yè)特點，教學組及時修正和調整課程內容，對應制訂了3 個課程目標，每個課程目標均支撐相應的畢業(yè)要求。以課程目標1：理解工程問題中控制系統(tǒng)的概念、結構，能夠運用數(shù)學、物理知識和反饋控制的原理，建立控制系統(tǒng)的數(shù)學模型為例，這部分的課程目標對應教材的第一章和第二章，設置的教學活動包括課前MOOC 預習、課堂講解、隨堂小測、MOOC 章節(jié)測試和學習報告總結。

3.2 關注專業(yè)差異，根據(jù)需求引入不同的教學案例

專業(yè)課是一種以相關學科為基礎，為人才培養(yǎng)提供基礎支撐的課程組織方式。課程是最基礎的單位，它必須與各專業(yè)的人才培養(yǎng)目標相匹配。在大數(shù)據(jù)專業(yè)中，如何整合各學科的優(yōu)勢教學與研究資源，并將其與學科知識進行深度融合，是一個十分重要的課題?？梢詣?chuàng)建一個有大數(shù)據(jù)專業(yè)特點的教學案例庫，如以工業(yè)大數(shù)據(jù)為例，把自動化技術在數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理等過程中的功能融合到課程教學中，將各學科的教學案例與核心知識有機地結合在一起，形成學科之間的優(yōu)勢互補。這種差異化的教學內容可以為實施以學生為中心的課堂教學提供參考。目前，自控主要的授課內容包括系統(tǒng)建模，時域、根軌跡和頻域分析方法，主要涉及系統(tǒng)的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能以及頻率特性，根據(jù)控制對象的控制目標對系統(tǒng)進行綜合分析、設計和優(yōu)化。對于大數(shù)據(jù)專業(yè)這類非控制類專業(yè)的學生，考慮將工業(yè)大數(shù)據(jù)相關的案例融入自控原理課程中，這里仍以教學目標1 說明，由于沒有設置實驗環(huán)節(jié)，在教學內容上，如在系統(tǒng)建模階段，可以引入工業(yè)生產過程中的數(shù)據(jù)采集和傳輸技術；如采用生產過程中普遍存在的機械臂作為研究對象，說明建模問題，首先講解如何尋找變量，確定機械臂控制系統(tǒng)的輸入和輸出變量等；在頻域分析方法中，可以結合數(shù)據(jù)分析技術對系統(tǒng)的頻率特性進行分析等。這樣做可以增強課程的實際應用性，培養(yǎng)學生在大數(shù)據(jù)技術方面的綜合能力，并使課程更具專業(yè)特色。此外，還可以進一步升華內容，通過講解機理建模的局限性，增加工業(yè)大數(shù)據(jù)時代基于數(shù)據(jù)驅動和專家知識的建模方法，從而與該類專業(yè)的主修課程如機器學習等建模方法進行深度融合，為全方位培養(yǎng)新型應用型人才提供良好的知識基礎。

3.3 通過多元化的教學模式提升教學質量

在“新工科”建設理念下，自控原理作為大數(shù)據(jù)專業(yè)的一門專業(yè)選修課，就課程目標和內容作出了新的調整。但如何在有限的學時內，保質保量完成教學大綱規(guī)定的授課內容，同時能夠針對教學對象的專業(yè)背景，使學生在掌握基礎知識的同時，了解目前新一代信息技術、智能制造等相關新興行業(yè)的動態(tài)和培養(yǎng)工程思維能力，仍是一個需要解決的問題。因此，需要采用多元化的教學模式。

利用慕課資源，開展線上線下混合式教學模式?；旌鲜浇虒W方案需要授課教師和學生都能合理利用網(wǎng)絡資源[4]。目前，為了豐富課程的教學資源，廣東工業(yè)大學自動化學院自控教學組已經錄制了慕課視頻，并成功在中國慕課網(wǎng)和智慧樹平臺推出。在這一背景下，授課教師需要根據(jù)慕課內容合理地設計線下課堂的授課內容和教學活動，并要求學生在課前和課后都能充分地利用網(wǎng)絡資源，相互配合，從而確保教學質量和教學進度。慕課視頻具有時間短和可反復播放的優(yōu)點，因此便于學生提前預習和課后鞏固所學知識，每個章節(jié)都設置了相應的選擇題和討論題，要求學生在每次授課前完成相關章節(jié)的學習和線上答題，教師可以根據(jù)線上答題情況調整課堂活動的內容，從而達線上線下的優(yōu)勢互補。學生答題情況也被作為教學過程性的評價，并在期末總評中占20%的比例。

3.4 完善考核和教學評價方法，促進課程目標達成

為了檢驗課程教學目標是否達成和衡量學生的學習成果，針對課程特點，課程組制訂了一套完善的考核和教學評價方法，除了期末閉卷考試外，還將線上學習成績、平時作業(yè)、課堂測驗、學習報告等成績納入期末總評成績，體現(xiàn)課程考核的靈活性和多樣性。自控原理課程的總評成績由兩部分組成，平時成績和期末考試成績各占50%，平時成績包含4 個部分，其中MOOC 線上成績由視頻觀看時長和章節(jié)小測成績構成，占比40%，隨堂測試占20%，課后習題占20%，學習報告占20%。課前學生可以通過MOOC對課程進行預習，同時進行平臺測驗考查學生的自主學習能力，進一步保障線上學習效果；學習報告是指學生每章學習結束后須提交一份學習匯報，題目自擬，內容須涵蓋每章節(jié)課前提出的思考題回答，可以鞏固所學知識點，用于評價階段性的學習效果。值得指出的是，本課程自從2020 年開始嘗試教學改革的探索與實踐以來，大數(shù)據(jù)專業(yè)學生期末總成績的優(yōu)良率和均值都呈穩(wěn)中有增的發(fā)展趨勢，可見改革的效果非常顯著。

4 結語

將改革方案應用于大數(shù)據(jù)專業(yè)的自控課程教學中，基于授課學生的學科和專業(yè)特征，讓學生更好地理解并掌握課程要求的知識和技能。同時還能培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，鍛煉工程思維，從而為培養(yǎng)學生成為具有計算機、通信和自動控制等技術的高素質應用型創(chuàng)新人才和從事相關工作提供助力。